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Transcript
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO
FACULTAD DE INGENIERÍA
DIVISIÓN DE CIENCIAS BÁSICAS
LABORATORIO DE QUÍMICA
PRÁCTICA NÚMERO 2
“EXPERIMENTO DE J. J. THOMSON”
INTRODUCCIÓN
Dentro de la historia del estudio de la e structura atóm ica, en sus com ienzos se em pezó a
experim entar con la m ateria. Estos experim entos desem bocaron en el descubrim iento de los
rayos catódicos. Estos rayos en su inicio constituían un enigm a al no conocerse de que
estaban compuestos. Con diversos experimentos se descubrió ciertas propiedades de estos
rayos, com o que siguen una tra yectoria recta, pueden m over un pequeña hélice lo que denota
que posee masa y que pueden ser desviados por un campo magnético lo que denota que
poseen carga eléctric a. J. J. T hom son el cual se dedicaba a experim entar con estos rayos se
propuso descubrir la relación entre la carga y la m asa de estos rayos, lo cual obtuvo después
de innumerables experimentos en donde se variaron modificaron todas las variables que
podían afectar el resultado o inclusive la naturaleza misma de estos misteriosos rayos.
OBJETIVOS
1.- Que el alumno conocerá el principio de funcionamiento del aparato para la determinación
de la relación entre la carga y la m asa de los rayos catódicos, su m anejo y la s
precauciones que deben observarse al utilizarlo.
2.- Determ inará experimentalm ente la relación entre la carga y la m asa de los r ayos
catódicos.
3.- Determ inará el error experim ental en la relación entre la carga y la m asa de los rayos
catódicos.
HIPÓTESIS
Los rayos catódicos es un flujo de partículas que poseen c arga, m asa y que tiene una
trayector ia recta en su m ovim iento sin las influencias m agnéticas del entorno, por lo que se
puede determinar la relación que hay entre la carga y la masa de dichas partícul as.
DESARROLLO
En el laboratorio se contó con 2 tipos de equipos para la realización de esta práctica, uno de
ellos denominado aparato PASCO que consta de dos fuentes de poder, una de ellas para bajo
voltaje y la otra para alto voltaje y el apar ato que g enera los rayos catódicos que consiste en
un tubo al semivacío con un gas inerte como el helio que permite la fluorescencia de los
rayos catódicos y dos bobinas par a generar un cam po m agnético. El segundo equipo m ás
simple de operar denominado aparato DAED ALON que consiste en un tubo al semivacío con
un gas inerte com o helio que perm ite ver la trayectoria de los rayos catódicos en su interior,
este aparato está rodeado por dos bobinas para generar un campo magnético.
Para los fines de este reporte se usó c omo instrumento para determinar la relación entre la
carga y la masa el aparato DAEDALON. Este aparato lo único que se le tiene que hacer para
su operación es encenderlo y esperar 30 segundos para que termine su autoprueba, la cual si
es satisfactoria los dos display marcarán ceros. El control izquierdo sirve para ajustar el
voltaje del cam po eléctrico al cual se sujetarán los ra yos catódicos para su operación. El
control derecho sirve para ajustar la intensidad de la corriente eléctrica en las bobinas que
generan el cam po m agnético.
Al ajustar el voltaje del campo eléctrico a 200 [V], se observo lo siguiente:
Que del cátodo (diferenciado por contener un filamento incandescente y que funciona
por el principio de em isión term oiónica) sale un rayo de co lor verde claro hacia abajo
en línea recta a través de un orificio del ánodo. Con ello se comprueba la hipótesis de
que los ra yos catódic os sigue tra yectorias rectas.
Al ajustar la corriente para crear un campo m agnético para desviar los rayos catódicos, se
observa lo siguiente:
Que los rayos catódicos se desvían hacia la izquierda com enzando a describir un arco
conform e se aum enta la cantidad de corriente hacia las bobinas, es decir, aum enta el
cam po m agnético, hasta generar una circunferencia que se ci erra en el ánodo colocado
en la parte superior del cátodo.
El haz de rayos catódicos conform e cam bia el diám etro de la cir cunferencia, cam bia de
grosor, para ciertos radios se tiene bien definido y para otros se tiene que es difuso.
Esto se debe a que siguen las líneas del cam po m agnético y por su com portam iento se
puede deducir que las líneas de este campo no son uniformes en todo el espacio que
sirve com o trayectoria para estos ra yos.
Que el ra yo catódico no puede ser fijado en algún radio en particular , debido a que el
paso de giro del control del campo magnético es fijo, por lo que para ajustarlo a un
determinado radio se tiene que aproximarlo lo más posible a ese radio según la regla
graduada en el interior del instrumento y tomar la lectura de la cor riente necesaria
para ello.
El experimento consiste en establecer una determinada circunferencia y tomar la lectura
la corriente suministrada a la bobina para la generación del campo magnético. Al término
las mediciones se pasó a ver el funcionamien to del aparato PASCO, apreciándose que
procedimiento de ajuste del instrumento es mucho más laborioso, delicado y que la toma
los radios o diám etros del rayo catódico es m ucho m ás difícil y sujeto a un m ayor margen
error.
de
de
el
de
de
RESULTADOS
En la tabla adjunta a este reporte se detallan las m ediciones realizadas así com o los
resultados de los cálculos correspondientes. El cálculo del campo magnético se obtiene de la
siguiente fórmula:
B = ( 0 nI(0.8) 3/2) / a
Donde:
B = Inducción del campo magnético.
0 = Constante de permeabilidad magnética = 4  X 10-7 [TmA-1]
n = Número de espiras de las bobinas = 120.
I = Intensidad de corriente eléctrica suministrada a las bobinas.
a = Radio de las bobinas = 0.15 [m].
La relación carga / masa del electrón se determina partiendo de las siguientes ecuaciones:
Ek = 0.5mv2
W = Fd = qV
Ek = W
q / m = v / (rB)
Para dar como resultado la siguiente ecuación:
q / m = (2Va2) / ((r0nI)2(0.8)3)
Donde:
q = Carga de los ra yos catódicos.
m = Masa de los ra yos catódicos.
V = Diferencia de potencial del campo eléctrico.
r = Radio que describen los rayos c atódicos.
Adicionalmente se obtiene el valor promedio de todos los cálculos de la relación carga / masa
y se obtiene el error contra un valor aceptado de la relación carga / m asa de los rayos
catódicos.
Las unidades de la relación carga / masa es de esperar que sean unidades de carga
(Coulomb) y unidades de masa (Kilogramos, gramos dependiendo del sistema de unidades
usado), para ello se detalla a cont inuación el análisis dimensional de la ecuación que permite
conocer este resultado experimental que debe de tener como propiedad que debe de ser
consistente en sus unidades.
La ecuación es:
q / m = (2Va2) / ((r0nI)2(0.8)3)
Sus unidades implicadas son:
q /m = [ V m2 ] / [ ((mTmA) / A)2]
Desarrollando tenemos:
= [Vm 2 / (T2m 2)] = [V / T 2]
Si
T = [Kg / (CSeg)]
y
V = [Kg / (CSeg2)]
Entonces se tiene:
q /m = [Kg / (CSeg2)] / [Kg2 / (C2Seg2)] = [C / Kg]
por tanto:
q / m = [C / Kg]
ANÁLISIS DE RESULTADOS
En base a la tabla anexa se pueden realizar los siguientes comentarios:
Que el error obtenido se encuentra dentro de un grado aceptable de exactitud (próximo al
5%).
Que el error se puede deber a la falta de precisión al fijar el diámetro de la circunferencia
que describen los r ayos catódicos, por la lim itación del mism o instrum ento de fijar los
incrementos de corrientes a pasos fijos. Que la lectura del diámetro se ve influencia a las
irregularidades del cam po m agnético dentr o de la burbuja al var iar el grosor del ra yo, lo c ual
aumenta la incertidumbre en la toma de la medida y a la subjetividad del observador al
considerar donde pas an los ra yos sobre la escala de longitud integrada a la burbuja para la
toma de la lectura.
CONCLUSIONES
Con el desarrollo de esta práctica se puede concluir que a pesar de que este experimento es
sencillo en realizar, dada la comodidad de los aparatos e instrumentos usados, no lo fue para
J.J. T homson, ya que en su tiem po se tenían que m anufacturar e n form a artesanal todo lo
que requerían para poder obtener un buen experimento, incluso se tenían que fabricar varios
aparatos en donde se variaban los materiales, formas y otras variables que pudieran influir
en los experimentos, todo ello para lograr que el fenómeno bajo estudio arrojara los
resultados esperados o en su caso se procediera a encontrar nuevas características de los
rayos catódicos.
Basándose en los
m asa de los ra yos
la composición de
com posición de la
resultados de este experimento, se puede apreciar que la relación carga /
catódicos im plica en que estas dos propiedades de los ra yos existen y que
las partículas que com ponen a estos rayos influyen en el com portam iento y
materia.
BIBLIOGRAFÍ A
Mortimer Charles E.
QUIMICA
Grupo Editorial Iberoamericana, 1983
Brown Theodore L, LeMa y H. Eugene, Bursten Bruce E.
QUIMICA, La ciencia central.
PrinteHall, 1993
Ancer Paul, Sonnessa Anthony J.
Principios de Química
Introducción a conceptos teóricos.
Limusa, 1973,
Duodécim a reim presión, 1993.
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